JP2011003461A - 照明用レンズ、発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の指向性をより広くすることが可能な照明用レンズを提供する。
【解決手段】照明用レンズ１は、入射面１１、出射面１２、および反転面１５を備えている。出射面１２は、光軸Ａ上の点に向かって窪む第１出射面１２１と、第１出射面１２１の周縁部から外側に広がる第２出射面１２２を有している。第１出射面１２１は、中心側に透過領域を含み、外周側に全反射領域を含んでいる。反転面１５は、光源２０からの光のうち出射面１２で全反射を繰り返して当該反転面１５に到達する光を全反射により第１出射面１２１に導く形状を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオード等の光源の指向性を広くする照明用レンズ、およびこの照明用レンズを用いた照明装置に関する。さらに、本発明は、複数の照明装置を備える面光源、およびこの面光源がバックライトとして液晶パネル後方に配置された液晶ディスプレイ装置に関する。

従来の大型の液晶ディスプレイ装置のバックライトでは、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。近年では、バックライトの光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶ディスプレイ装置用の光源としては映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。

液晶ディスプレイ装置の発光ダイオードを光源とするバックライトでは、冷陰極管の代わりに多数の発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオードを用いることでバックライト表面で均一な明るさを得ることができるが、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。１個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオードの使用する個数を減らす取り組みがなされており、例えば特許文献１では、少ない個数の発光ダイオードでも均一な面光源が得られるようにするレンズが提案されている。

少ない個数の発光ダイオードで均一な面光源を得るためには、１個の発光ダイオードが照明する被照明領域を大きくする必要がある。すなわち発光ダイオードからの光を拡張して指向性を広くすることが必要である。このために特許文献１では、チップ状の発光ダイオードの指向性を制御する平面視で円形状のレンズを発光ダイオードの上に配置している。このレンズの形状は、光を出射させる出射面における光軸近傍部分が凹面となっており、その外側部分が凹面と連続する凸面となっている。

また、特許文献２には、より均一な面光源を得るためのレンズとして、レンズの出射面でフレネル反射して入射面側に戻る反射光を全反射により再度反射して被照射面に向かわせるレンズが提案されている。

特許第３８７５２４７号公報 特開２００８−３０５９２３号公報

発光ダイオードでは、発光ダイオードのチップの正面方向に最も多くの光が発光しており、特許文献１に開示されたレンズでは、光軸近傍の凹面でチップからの正面方向に向かう光を屈折により発散させている。これにより、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布にすることができる。

しかしながら、特許文献１のレンズでは、光源からの光を屈折させる必要性から凹面と凸面との間の高低差をある程度小さく抑える必要があり、光源の指向性を広くするには限界がある。この点は、特許文献２のレンズでも、屈折によってチップからの光の配光化を図るものであるため、同様である。

本発明は、光源の指向性をより広くすることが可能な照明用レンズを提供するとともに、この照明用レンズを含む発光装置、面光源、および液晶ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の発明者らは、発光ダイオードのチップの正面方向に行く、強い光を如何に周囲に配光するかが指向性をより広くするために重要であると考え、意図的に全反射を使って発光ダイオードのチップの正面方向に行く光を周囲に配光することを思い付いた。そこで、本発明の発明者らは、次のような照明用レンズを考え出した。

その照明用レンズは、光源からの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズであり、光源からの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して軸対称な出射面と、を備えている。前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第１出射面と、この第１出射面の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面と、を有している。前記第１出射面は、前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度未満の放射光を透過させる透過領域と、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含んでいる。前記第２出射面は、前記基点から放射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を透過させる形状を有している。

この照明用レンズによれば、全反射を積極的に利用することで、光源の指向性をより広くすることができる。ところで、この照明用レンズでは、図１２に示すように、出射面１１２における第１出射面の全反射領域で全反射した光は、第１出射面の外側にある第２出射面でも全反射を繰り返し、入射面１１１側に戻るものもある。このように入射面１１１側に戻る光は、入射面１１１を透過し、入射面１１１と対向する部材１３０（例えば、基板）で反射されて被照射面に向かうようになる。この場合、部材１３０で反射されて被照射面に向かう光は、図１２に示すように光軸から離れる方向に進んだり光軸に近づく方向に進んだりする。被照射面における照度分布をより広がりのあるものにするためには、入射面１１１側に戻る光を制御して被照射面上の所定位置に導くことが効果的である。本発明はこのような観点からなされたものである。

すなわち、本発明は、光源からの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズであって、光源からの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して軸対称な出射面と、前記出射面と連続する反転面であって前記出射面の周縁から内側に巻き込みながら前記入射面の周縁につながる反転面と、を有し、前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第１出射面と、この第１出射面の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面と、を有し、前記第１出射面は、前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度未満の放射光を透過させる透過領域と、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含み、前記第２出射面は、前記基点から放射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を透過させるとともに、前記全反射領域で全反射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を全反射する形状を有しており、前記反転面は、前記光源からの光のうち前記出射面で全反射を繰り返して当該反転面に到達する光を全反射により前記第１出射面に導く形状を有している、照明用レンズを提供する。

ここで、「略全量」とは、全量の９０％以上のことをいい、全量であってもよいし全量よりも僅かに少ない量であってもよい。

また、本発明は、光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードからの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズと、を備える発光装置であって、前記照明用レンズは、上記の照明用レンズである、発光装置を提供する。

さらに、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から一方面に照射された光を他方面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源であって、前記複数の発光装置のそれぞれは、上記の発光装置である、面光源を提供する。

また、本発明は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された上記の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置を提供する。

本発明によれば、光源の指向性をより広くすることができる。さらに、本発明によれば、入射面側に戻る光も反転面によって被照射面上の所定位置に導くことができ、被照射面における照度分布をより広がりのあるものにすることができる。

本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図 図１の要部拡大図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの第１出射面に到達する光線の光路図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの第２出射面に入射面から直接到達する光線の光路図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの第２出射面に第１出射面の全反射領域で全反射して到達する光線の光路図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの反転面に第２出射面で全反射して到達する光線の光路図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの第１出射面に反転面で全反射して到達する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成図 本発明の実施の形態３に係る面光源の構成図 本発明の実施の形態３に係る面光源の部分的な断面図 本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイの構成図 以前に考え出された照明用レンズの構成図

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る照明用レンズついて、図面を参照しつつ説明する。図１は、実施の形態１に係る照明用レンズ１の構成図である。照明用レンズ１は、指向性を有する光源２０と被照射面３との間に配置され、光源２０からの光を拡張して被照射面３に照射するものである。すなわち、照明用レンズ１によって光源の指向性が広くされる。被照射面３の照度分布は、照明用レンズ１の設計上の中心線である光軸Ａ上が最大で周囲に行くほど略単調に減少する。なお、光源２０と照明用レンズ１とは、互いの光軸が合致するように配置される。

具体的に、照明用レンズ１は、光源２０からの光が入射する入射面１１と、入射した光を出射させる出射面１２とを有している。入射面１１は、光軸Ａが延びる光軸方向から見たときに出射面１２よりも十分小さな大きさに設定されている。また、照明用レンズ１は、出射面１２と連続する反転面１５であって、出射面１２の周縁から内側に巻き込みながら、すなわち法線方向を徐々に入射面１１側に倒しながら入射面１１の周縁につながる反転面１５を有している。

出射面１２は光軸Ａに対して軸対称である。本実施形態では、入射面１１も光軸Ａに対して軸対称である。すなわち、入射面１１の中心領域１１ａとその周囲の環状領域１１ｂとが同一平面上に位置していて、入射面１１の中心領域１１ａが光源２０と光学的に接合されるようになっている。なお、入射面１１は、光軸Ａに対して軸対象である必要はない。例えば、中心領域１１ａが光源２０に対応する形状（例えば矩形状）で窪んでいて、その窪みに光源２０が嵌り込むようになっていてもよい。また、中心領域１１ａは、必ずしも光源２０と直接接合される必要はなく、例えば光源２０との間に空気層が形成されるように半球状に窪んでいてもよい。

光源２０からの光は、入射面１１から照明用レンズ１内に入射した後に出射面１２から出射されて、被照射面３に到達する。光源２０から放射される光は、出射面１２の作用で拡張され、被照射面３の広い範囲に到達するようになる。

光源２０としては、例えば発光ダイオードを採用することができる。発光ダイオードは矩形板状のチップであることが多く、照明用レンズ１の入射面１１も発光ダイオードに密着可能なように発光ダイオードの形状に合わせた形状とすることが好ましい。発光ダイオードは、照明用レンズ１の入射面１１と接合剤を介して接していて、入射面１１と光学的に接合されている。発光ダイオードは、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われている。従来の発光ダイオードの封止樹脂としては、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等が用いられている。

照明用レンズ１は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．５程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂、またはシリコンゴム等のゴムを用いることができる。中でも、発光ダイオードの封止樹脂として用いられるエポキシ樹脂またはシリコンゴム等を用いることが好ましい。

出射面１２は、光軸Ａ上の点に向かって窪む第１出射面１２１と、この第１出射面１２１の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面１２２とからなる。入射面１１から照明用レンズ１の内部に入射する光は大きな角度範囲を持っている。光軸Ａからの角度が小さい光は第１出射面１２１に到達し、光軸Ａからの角度が大きい光は第２出射面１２２に到達する。

次に、第１出射面１２１および第２出射面１２２の形状について説明する。そのために、まず基点Ｑ（図２参照）を規定し、この基点Ｑから放射される放射光を観念する。ここで、基点Ｑとは、光軸Ａ上の光源の位置のことであり、光源として発光ダイオードを採用した場合は光軸Ａと発光ダイオードの正面である出射面との交点となる。すなわち、基点Ｑは、入射面１１から上述した接合剤の厚み分だけ離れている。そして、基点Ｑから放射される放射光は、第１出射面１２１と第２出射面１２２の境界と基点Ｑとを結んだ線と光軸Ａとのなす角度θｂを境に第１出射面１２１と第２出射面１２２のそれぞれに到達する。

第１出射面１２１は、図２に示すように、基点Ｑから放射されて当該第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｐ未満の放射光を透過させる透過領域１２３と、基点Ｑから放射されて当該第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｐ以上の放射光を全反射する全反射領域１２４とからなる。すなわち、θｐは、透過領域１２３と全反射領域１２４の境界上の点を点Ｐとしたときに、点Ｐと基点Ｑとを結んだ線と光軸Ａとのなす角度である。

一方、第２出射面１２２は、基点Ｑから放射されて当該第２出射面１２２に到達する放射光の略全量を透過させるとともに、全反射領域１２４で全反射されて当該第２出射面１２２に到達する放射光の略全量を全反射する形状を有している（図４および図５参照）。第２出射面１２２の外側に行くほど基点Ｑからの放射光と光軸Ａとの角度は大きくなるが、基点Ｑからの放射光が第２出射面１２２に到達する点での法線に対する放射線の光線の角度は第２出射面１２２に対する入射角であり、入射角が大きくなりすぎると全反射してしまう。全反射させないためには入射角を大きくさせないことが必要で、第２出射面１２２の形状は、光軸Ａより遠くなるに従って、法線と光軸Ａとの角度が大きくなるような形状、すなわち凸面になる。

なお、第２出射面１２２は、基点Ｑから放射される放射光を必ずしも全面に亘って透過させる（すなわち、全量を透過させる）必要はなく、基点Ｑから放射される放射光の一部を全反射し、残りを透過させる形状を有していてもよい。

反転面１５は、光軸Ａに対して軸対象である。本実施形態では、反転面１５の内周縁は、入射面１１の周縁よりも出射面１２側に位置していて、反転面１５の内周縁と入射面１１の周縁とは筒状面１６を介してつながっている。

反転面１５は、光源２０からの光のうち出射面１２で全反射を繰り返して当該反転面１５に到達する光を全反射により第１出射面１２１に導く形状を有している。そして、反転面１５によって第１出射面１２１に導かれた光は、第１出射面１２１を透過し、被照射面３を照明する（図７参照）。

光軸Ａを含む断面で見たときに、第２出射面１２２の途中から反転面１５の内周縁までは、略一定の半径の円弧になっていることが好ましい。このようになっていれば、第２出射面１２２の外周部分および反転面１５からレンズ外に漏れる（すなわち、第２出射面１２２の外周部分および反転面１５を透過する）光を少なくすることができ、入射面１１側に戻る光を有効に利用することができる。

次に、図３〜図８を参照して、光源２０からの光の進み方について基点Ｑからの光を代表により詳しく説明する。

図３は、入射面１１から入射し、第１出射面１２１に到達する光線の光路を示す。透過領域１２３（図２参照）に到達した小さい角度の光線は、第１出射面１２１で屈折し、被照射面３に到達する。全反射領域１２４（図２参照）に到達した大きい角度の光線は、第１出射面１２１で全反射し、照明用レンズ１の内部を進行する。

図４は、入射面１１から入射し、第２出射面１２１に到達する光線の光路を示す。第２出射面１２１に到達した光線は、第２出射面１０２で屈折し、被照射面３に到達する。

図５は、図３で説明したように第１出射面１２１の全反射領域１２４で全反射し、第２出射面１２２に到達する光線の光路を示す。第２出射面１２２に到達した光線は、第２出射面１２２で１回もしくは複数回全反射し、第２出射面１２２に沿うように照明用レンズ１の内部を進行する。なお、図示は省略するが、一部の光線は第２出射面１２２で全反射せずに、照明用レンズ１の外部に出る。

図６は、図５で説明したように第２出射面１２２で全反射し、反転面１５に到達する光線の光路を示す。反転面１５に到達した光線は、反転面１５で１回もしくは複数回全反射し、第１出射面１２１に向かう。なお、図示は省略するが、一部の光線は反転面１５で全反射せずに、照明用レンズ１の外部に出る。

図７は、図６で説明したように反転面１５で全反射し、再び第１出射面１２１に到達する光線の光路を示す。第１出射面１２１に再度到達した光線は、今度は第１出射面１２１に対する入射角が小さいために第１出射面１２１で屈折し、被照射面３に到達する。

以上のような照明用レンズ１であれば、光源２０から出射され、第１出射面１２１の中心側に位置する透過領域１２３に到達する光の多くは、透過領域１２３で屈折して被照射面３におけるレンズの光軸Ａを中心とするエリアに照射される。一方、光源から出射され、第１出射面１２１の外周側に位置する全反射領域１２４に到達する光の多くは、全反射領域１２４で全反射され、その大半が第２出射面１２２および反転面１５の作用で第１出射面１２１から出射され、被照射面３へ照射される。さらに、光源２０から出射され、第２出射面１２２に到達する光の多くは、第２出射面１２２で屈折して被照射面３におけるレンズの光軸Ａから離れたエリアに照射される。従って、本実施形態の照明用レンズ１によれば、光源２０の指向性をより広くすることが可能である。

さらに、本実施形態では、入射面１１側に戻る光も反転面１５によって被照射面３上の所定位置に導くことができ、被照射面３における照度分布をより広がりのあるものにすることができる。また、このように入射面１１側に戻る光を制御することで、被照射面３上の照度分布が照明用レンズ１の裏側に配設される構造物の構造および反射率に影響されるのを抑制することができる。

なお、本発明の照明用レンズは、発光ダイオード以外の光源（例えば、レーザーまたは有機ＥＬ）にも適用可能である。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る発光装置７の構成図である。この発光装置７は、光を放射する発光ダイオード２と、発光ダイオード２からの光を拡張して被照射面３に照射する、実施の形態１で説明した照明用レンズ１とを備えている。

発光ダイオード２は、照明用レンズ１の入射面１１に接合剤により密着して配置され、光学的に接合されている。照明用レンズ１の出射面１２から出射した光は被照射面３に到達し、被照射面３を照明する。

発光ダイオード２内での発光は指向性を持たない発光であるが、発光領域の屈折率は２．０以上であり、屈折率が低い領域に光が侵入すると、界面の屈折の影響で、界面の法線方向に最大の強度を持ち、法線方向から角度が大きくなるほど、光の強度は小さくなる。このように発光ダイオード２は指向性を持っており、広い範囲を照明するためには照明用レンズ１で指向性を広くすることが必要である。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る面光源９の構成図である。この面光源９は、平面的に配置された、実施の形態２で説明した複数の発光装置７と、これらの発光装置７を覆うように配置された拡散板４とを備えている。なお、発光装置７は、図９に示すようにマトリクス状に配置されていてもよいし、千鳥状に配置されていてもよい。

また、面光源９は、発光装置７を挟んで拡散板４と対向する基板８を備えている。基板８には、図１０に示すように、各発光装置７の発光ダイオード２が実装されている。本実施形態では、基板８上に、発光ダイオード２を避けながら基板２を覆うように反射板６が配置されている。

発光装置７は、拡散板４の一方面４ａに光を照射する。すなわち、拡散板４の一方面４ａは、実施の形態１および実施の形態２で説明した被照射面３となっている。拡散板４は、一方面４ａに照射された光を他方面４ｂから拡散された状態で放射する。個々の発光装置７からは拡散板４の一方面４ａに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板４で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。

発光装置７からの光は、拡散板４で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板４を透過したりする。発光装置側へ戻って反射板６に入射する光は、反射板６で反射されて、拡散板４に再度入射する。

（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイ装置の構成図である。この液晶ディスプレイ装置は、液晶パネル５と、液晶パネル５の裏側に配置された、実施の形態３で説明した面光源９とを備えている。

発光ダイオード２と照明用レンズ１で構成される発光装置７が平面的に複数配置され、これらの発光装置７によって拡散板４が照明される。拡散板４の裏面（一方面）は、照度が均一化された光が照射され、この光が拡散板４によって拡散されて液晶パネル５が照明される。

なお、液晶パネル５と面光源９との間には拡散シート、プリズムシート等の光学シートが配置されていることが好ましい。この場合、拡散板４を透過した光は、光学シートでさらに拡散されて、液晶パネル５を照明する。

１ 照明用レンズ
１１ 入射面
１２ 出射面
１２１ 第１出射面
１２２ 第２出射面
１２３ 透過領域
１２４ 全反射領域
１５ 反転面
１６ 筒状面
２ 発光ダイオード
２０ 光源
３ 被照射面
４ 拡散板
５ 液晶パネル
６ 反射板
７ 発光装置
８ 基板
９ 面光源
Ａ 光軸
Ｑ 基点

Claims (9)

1. 光源からの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズであって、
   光源からの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して軸対称な出射面と、前記出射面と連続する反転面であって前記出射面の周縁から内側に巻き込みながら前記入射面の周縁につながる反転面と、を有し、
   前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第１出射面と、この第１出射面の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面と、を有し、
   前記第１出射面は、前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度未満の放射光を透過させる透過領域と、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含み、
   前記第２出射面は、前記基点から放射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を透過させるとともに、前記全反射領域で全反射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を全反射する形状を有しており、
   前記反転面は、前記光源からの光のうち前記出射面で全反射を繰り返して当該反転面に到達する光を全反射により前記第１出射面に導く形状を有している、
   照明用レンズ。
2. 前記反転面の内周縁は、前記入射面の周縁よりも前記出射面側に位置していて、前記反転面の内周縁と前記入射面の周縁とは筒状面を介してつながっている、請求項１に記載の照明用レンズ。
3. 前記光軸を含む断面で見たときに、前記第２出射面の途中から前記反転面の内周縁までは、略一定の半径の円弧になっている、請求項１または２に記載の照明用レンズ。
4. 前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光を全面に亘って透過させるものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
5. 前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光の一部を全反射し、残りを透過させるものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
6. 光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードからの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズと、を備える発光装置であって、
   前記照明用レンズは、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明用レンズである、発光装置。
7. 平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から一方面に照射された光を他方面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源であって、
   前記複数の発光装置のそれぞれは、請求項６に記載の発光装置である、面光源。
8. 前記複数の発光装置を挟んで前記拡散板と対向する基板であって前記複数の発光装置のそれぞれの前記発光ダイオードが実装された基板と、前記発光ダイオードを避けながら前記基板を覆うように前記基板上に配置された反射板と、をさらに備える、請求項７に記載の面光源。
9. 液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された請求項７または８に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。

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